Nhập môn công nghệ sinh học 7

Nhập môn công nghệ sinh học

Phần II Các ứng dụng của Công nghệ sinh học

Nhìn chung, trong những năm qua công nghệ sinh học đã có những tác động rất tích cực trong sản xuất nông nghiệp, tạo ra một cuộc cách mạng sâu sắc trong lĩnh vực giống cây trồng, vật nuôi và chế biến thực phẩm Nhiều kết quả nghiên cứu đã được ứng dụng trong sản xuất và đem lại những giá trị kinh tế lớn lao Chẳng hạn, nhiều giống cây trồng mang gen kháng sâu, kháng bệnh, kháng chất diệt cỏ… đã được đưa ra thị trường như bông, ngô, khoai tây, lúa mạch, lúa nước, cà chua, củ cải đường Nhiều loại vật nuôi đã được thụ tinh trong ống nghiệm và cấy chuyền phôi, sử dụng hormone sinh trưởng để tăng nhanh sức lớn và sản lượng sữa ở trâu,

bò, kể cả sản lượng thực phẩm và các chất phụ gia sinh học

II Cải thiện và nhân nhanh giống cây trồng

Hướng nghiên cứu được tập trung nhiều nhất để cải thiện và nhân nhanh giống cây trồng là nuôi cấy mô và tế bào thực vật (plant cell and

tissue culture) Đây là kỹ thuật nuôi cấy vô trùng in vitro các bộ phận tách

rời khác nhau của thực vật Ngoài mục đích nhân giống và cải thiện di

truyền giống cây trồng, nuôi cấy mô và tế bào thực vật còn đóng góp vào việc sản xuất sinh khối các sản phẩm hóa sinh, bệnh học thực vật, duy trì và bảo quản các nguồn gen quý hiếm… Các hoạt động này được bao hàm trong thuật ngữ công nghệ sinh học nông nghiệp (biotechnology in agriculture) Lĩnh vực nhân giống và cải thiện giống cây trồng có bốn hướng chính:

- Nhân giống trong ống nghiệm (nhân giống vô tính in vitro) bằng kỹ

thuật nuôi cấy tế bào, mô và cơ quan của thực vật Với kỹ thuật này trong một thời gian rất ngắn có thể sản xuất một lượng lớn cây con giống hệt nhau

và giữ nguyên kiểu di truyền của cây mẹ ban đầu

- Sản xuất cây đơn bội (1n) bằng cách nuôi cấy bao phấn hoặc hạt phấn cho phép tạo ra các dòng thuần (đồng hợp tử) để phục tráng giống cây trồng bị thoái hóa sau một thời gian dài canh tác Hoặc tìm kiếm các tính trạng lặn dị hợp tử ưu việt thu được trong quá trình chọn giống

- Lai vô tính (somatic hybridization) hay còn gọi là dung hợp tế bào trần (protoplast fusion) giữa các loài xa nhau về quan hệ họ hàng mà trong thực tế không thể tiến hành bằng phương pháp lai hữu tính, nhờ đó mở ra khả năng tạo ra những giống cây hoàn toàn mới

- Ứng dụng kỹ thuật chọn dòng tế bào biến dị soma (somaclonal

variation) trong nuôi cấy in vitro để tạo ra các giống mới chống chịu các

bệnh vi khuẩn, virus và vi nấm, chịu được các điều kiện canh tác khắc nghiệt như hạn hán, ngập mặn, nóng và lạnh

1 Nhân giống vô tính in vitro

Nhân giống in vitro là kỹ thuật nhân giống cây trồng bằng cách sử

dụng nhiều bộ phận khác nhau của thực vật, có kích thước nhỏ và sinh trưởng ở điều kiện vô trùng trong ống nghiệm hoặc trong các loại bình nuôi cấy khác chứa môi trường dinh dưỡng nhân tạo

Trên quan điểm ứng dụng, kỹ thuật nhân giống in vitro được ứng dụng

- Nhân nhanh và kinh tế các kiểu gen quý của giống cây lấy gỗ trong lâm nghiệp và gốc ghép trong nghề trồng cây ăn quả, cây cảnh

- Nhân nhanh ở điều kiện vô trùng, cách ly tái nhiễm kết hợp với làm sạch bệnh virus

- Bảo quản các tập đoàn giống nhân giống vô tính và các loài cây giao phấn trong ngân hàng gen

2 Sản xuất cây đơn bội in vitro

,

(Hình 7.1) Kỹ thuật dung hợp protoplast cho phép khắc phục được hiện tượng bất thụ thường xảy ra khi lai khác loài (lai xa) để mở rộng nguồn gen, tạo ra các giống cây trồng mới mang các đặc tính di truyền ưu việt

[Lycopersicum esculentum

258

Hình 7.1 Dung hợp protoplast A: các protoplast B: hai protoplast dung hợp

trong một cặp C: các protoplast có thể dung hợp trong thể 3 (bên phải ảnh) hoặc nhiều hơn, có khi tới 6 protoplast

3.1 Dung hợp protoplast bằng hóa chất

Phương pháp này dùng NaNO3 hoặc polyethylene glycol (PEG) để kích thích sự dung hợp của hai protoplast

3.2 protoplast (electrofusion)

trong n

-A B

C

Chọn lọc trên môi trường chứa độc tố của

nấm bệnh rỉ sắt (Helminthosporium maydis)

Giống ngô bất dục đực

Nuôi cấy callus

Dòng callus kháng H maydis

Tái sinh cây

Kiểm tra tính kháng H maydis

in vitro

Stt Loài Phương pháp chuyển gen Thử nghiệm trên

đồng ruộng

4 Canola Bắn gen/Agrobacterium Chống chịu chất diệt cỏ,

8 Đu đủ Bắn gen/Agrobacterium Kháng virus

9 Đậu phụng Bắn gen/Agrobacterium Kháng virus

10 Bạch dương Bắn gen/Agrobacterium Chống chịu chất diệt cỏ

11 Khoai tây Agrobacterium Kháng côn trùng, kháng

virus, chống chịu chất diệt cỏ

12 Lúa Bắn gen/Agrobacterium Chống chịu chất diệt cỏ

13 Đậu tương Bắn gen/Agrobacterium Chống chịu chất diệt cỏ

14 Bí Bắn gen/Agrobacterium Kháng virus

15 Củ cải đường Agrobacterium Chống chịu chất diệt cỏ

18 Cà chua Agrobacterium Quả chín muộn, kháng

virus

Hình 7.3 Một số cây trồng chuyển gen A: ngô kháng côn trùng B: lúa mạch

kháng virus C: cà chua cho quả chín muộn D: khoai tây chống chịu chất diệt cỏ

- (Southern b

-

Phaseolus Agrobacterium

soma

5.7 Cố định đạm

Quá trình cố định đạm diễn ra ở rễ của các loài cây họ đậu nhờ một số loài vi khuẩn cộng sinh có khả năng hấp thụ nitrogen của không khí và tạo

ra chất đạm cho cây Vi khuẩn chính tham gia quá trình cố định đạm là

Rhizobium Sự có mặt của nó dẫn đến hình thành các nốt sần trên rễ cây

nhiễm khuẩn Các vi khuẩn sống trong nốt sần sẽ thực hiện quá trình cố định đạm Phương trình tổng quát có dạng sau:

N 2 + 10H+ + 8e- + 16ATP 2NH 4

+ + 16ADP + 16Pi + H 2

Hình 7.4 Mô hình biến nạp gen nif

Để tăng mức độ cung cấp đạm tự nhiên cho cây trồng, người ta chọn

giải pháp chuyển gen nif (nitrogen fixation-gen mã hóa enzyme nitrogenase)

vào cơ thể thực vật và vi sinh vật sống tự do hoặc sống cộng sinh với thực vật (Hình 7.4) Vì trong tự nhiên, giữa các cơ thể vi sinh vật vẫn xảy ra sự

Nitrogenase

Rhizobium Plasmid

Mở vòng DNA của plasmid

Phân lập gen nif

Tái sinh cây

mang gen nif

trao đổi thông tin di truyền, như vậy về mặt kỹ thuật việc chuyển gen nif vào

cơ thể vi sinh vật sẽ dễ dàng hơn Vấn đề còn lại là làm thế nào để gen nif

hoạt động sau khi được chuyển vào cơ thể vi sinh vật chủ Tương tự, việc

chuyển gen nif vào tế bào thực vật có thể được thực hiện thông qua viral vector hoặc vi khuẩn Agrobacterium tumefaciens Tuy nhiên, đây là một

công việc khó khăn và có lẽ trong một tương lai gần vấn đề này vẫn chưa giải quyết được

III Chăn nuôi và thú y

1 Kỹ thuật cấy chuyển phôi

Kỹ thuật đã được ứng dụng khá rộng rãi hiện nay là cấy chuyển hợp tử

ở bò Nguyên lý của kỹ thuật này là gây rụng trứng ở bò cái có các đặc điểm

mà ngành chăn nuôi cần đến và cho thụ tinh với tinh trùng của bò đực cũng mang những đặc điểm mong muốn Các hợp tử hay phôi thu nhận bằng cách rửa dạ con Đông lạnh phôi và bảo quản chúng trong nitrogen lỏng ở -179oC, phôi ở điều kiện này được vận chuyển dễ dàng đến nơi cần thiết Sau đó, phôi được cấy vào bò cái khác để mang thai hộ Bê con phát triển từ các phôi này sẽ ra đời trong môi trường sống của nó và không gặp phải những bất lợi về mặt môi trường như đối với các gia súc nhập nội

Kỹ thuật cấy phôi còn cho phép tạo ra gia súc sinh đôi hoặc sinh ba (hoặc nhiều hơn nữa) hoàn toàn giống nhau về mặt di truyền Nguyên tắc của

kỹ thuật này là chia noãn bào đã thụ tinh của gia súc thành hai hoặc ba phần (hoặc hơn nữa) giống nhau Sau đó, cấy ngược lại vào con cái chữa đẻ hộ

Mặt khác, kỹ thuật cấy chuyển phôi còn giúp xác định giới tính của vật nuôi, việc này đem lại hiệu quả kinh tế cao Chẳng hạn, người ta chỉ quan tâm lấy phôi bò đực để tạo bò lấy thịt, trong khi phôi bò cái được dùng

để tạo bò lấy sữa, hoặc để bảo vệ những giống bò ưu việt Nguyên tắc của

kỹ thuật này dựa trên cơ sở phân chia tinh dịch thành hai nhóm: nhóm chứa nhiễm sắc thể X tạo ra bê cái, và nhóm chứa nhiễm sắc thể Y tạo ra bê đực Người ta chỉ cần chọn một trong hai nhóm để thụ tinh trong ống nghiệm rồi sau đó chuyển phôi được tạo ra vào bố mẹ

2 Tạo chế phẩm phòng tránh bệnh cho động vật

Công nghệ sinh học trong những năm gần đây đã có những đóng góp không nhỏ, chủ yếu là tạo ra các vaccine thế hệ mới nhờ áp dụng công nghệ

DNA tái tổ hợp, chẳng hạn như vaccine phòng bệnh lỡ mồm long móng (Foot and Mouth Disease Virus-FMDV), bệnh Theileriosis (bệnh sốt bờ biển đông-East Coast Fever) ở gia súc, bệnh sốt lợn Châu Phi, bệnh Newcastle, bệnh cầu trùng ở gia cầm…

Bệnh toi gà do virus gây ra ở gia cầm, đặc biệt là gà Virus này thuộc nhóm Paramyxovirus, bao gồm cả virus quai bị, thuộc họ Paramyxoviridae (họ này bao gồm cả virus gây bệnh lợn gạo) Virus có khả năng làm ngưng kết hồng cầu, thông qua một loại protein F của nó Loại protein này có khả năng gây miễn dịch và được dùng làm vaccine

Bệnh lỡ mồm long móng là loại bệnh do virus, lây lan rất nhanh và gây bệnh cho khoảng 30 loài động vật móng guốc, đặc biệt nguy hiểm đối với trâu, bò, lợn và cừu Khi có dịch, để tránh bệnh lây lan, phải tiêu diệt hàng loạt gia súc nhiễm bệnh, thực hiện các biện pháp cách ly nghiêm ngặt Người ta đã thành công trong việc dùng enzyme trypsin xử lý vỏ protein và nhận thấy một trong số các protein vỏ của nó có thể tạo được miễn dịch, kích thích sản sinh kháng thể Năm 1985, các nhà khoa học đã xác định

được gen mã hóa loại protein này và tạo dòng nó trong E coli, biến E coli

thành “nhà máy” sản xuất protein nói trên và khi tiêm vào bò, lợn thì chúng trở nên miễn dịch đối với loại virus gây bệnh lở mồm long móng

3 Chuyển gen vào động vật

Một trong những thí nghiệm chuyển gen đầu tiên đã được tiến hành là gắn gen mã hóa cho hormone sinh trưởng của chuột cống và promoter methallothionein của chuột nhắt vào plasmid vector, sau đó vector này được tiêm vào tế bào trứng của chuột nhắt đã thụ tinh Kết quả là chuột nhắt chuyển gen này lớn nhanh hơn chuột nhắt bình thường Kiểm tra mô chuột nhắt chuyển gen thấy rằng promoter methallothionein điều hòa sự biểu hiện gen hormone sinh trưởng trong gan nhiều hơn trong tuyến yên mặc dù ở chuột thường thì tuyến yên là chính Điều này cho thấy việc chuyển gen đã thoát khỏi sự kiểm tra điều hòa của tuyến yên, dẫn đến việc sản xuất một lượng lớn hormone sinh trưởng

Lợn chuyển gen tổng hợp hormone sinh trưởng của người tuy không lớn hơn về kích thước nhưng lại có lượng thịt nạc nhiều hơn, ít mỡ hơn và tiêu tốn thức ăn ít hơn từ 20-30% Tuy nhiên, các động vật chuyển gen dễ bị

thấp khớp, stress và mất khả năng sinh sản cũng như định hướng chuyển động

Như chúng ta đã biết cystein cần cho sự phát triển lông, nhưng do cừu thiếu khả năng tổng hợp amino acid này và do các vi sinh vật đường ruột của cừu sử dụng phần lớn cystein sẵn có nên đã ảnh hưởng xấu đến sản lượng lông cừu Để khắc phục điều này, người ta đã tạo dòng hai gen vi khuẩn mã hóa cho enzyme chuyển hóa serine thành cystein Sự ổn định của các gen này trong cừu chuyển gen sau đó đã giúp cừu tự tổng hợp được cystein làm tăng sự phát triển của bộ lông

Hiện nay, các nhà khoa học cũng đã có những thành công bước đầu trong việc chuyển các gen người vào lợn nhằm mục đích lấy phủ tạng của chúng (tim, gan, thận ) để cấy ghép, thay thế cho các bộ phận bị hư hỏng của người Như vậy, công nghệ gen mở ra cho y học một khả năng to lớn trong lĩnh vực cấy ghép các bộ phận cho người và một triển vọng giải quyết vấn đề miễn dịch cấy ghép

Bên cạnh việc chờ đợi những thành công mới của công nghệ chuyển gen trực tiếp cho vật nuôi, người ta cũng đang tìm kiếm các biện pháp mới

để tăng năng suất vật nuôi bằng công nghệ DNA tái tổ hợp Chẳng hạn, một loại hormone tăng trưởng tái tổ hợp của bò (recombinant bovine growth

hormone) được chuyển vào E coli đã sản xuất thành công loại hormone

trên, và có thể kích thích tăng sản lượng sữa ở bò lên tới 15% mà không cần phải gia tăng thêm khẩu phần thức ăn hàng ngày Hoặc gen sản xuất

hormone sinh trưởng của gà cũng được đưa vào E coli, và người ta đã

chứng minh được rằng hormone được sản xuất bằng kỹ thuật trên cho phép tăng khả năng sinh trưởng của gà lên khoảng 15%

IV Chế biến thực phẩm

Đây là lĩnh vực công nghệ sản xuất thực phẩm từ nông sản có sự tham gia của vi sinh vật, cũng như sự đóng góp của công nghệ sinh học hiện đại trong việc nâng cao hiệu suất của các quy trình sản xuất nói trên Thực phẩm được tạo ra bởi vi sinh vật rất đa dạng, từ các sản phẩm truyền thống

có nguồn gốc xa xưa như men bánh mì, phomát, sữa chua, rượu vang, rượu cất, đến những sản phẩm mới xuất hiện như protein nấm (mycoprotein) Trước đây, trong công nghiệp thực phẩm các nghiên cứu công nghệ sinh học được sử dụng chủ yếu để hoàn thiện các quy trình công nghệ lên

men truyền thống Còn hiện nay, các nghiên cứu công nghệ sinh học chủ yếu liên quan đến việc tạo ra các chủng mới có năng suất sinh học cao và việc áp dụng chúng vào các công nghệ lên men hiện đại

Theo đánh giá chung, hiện nay mới chỉ khoảng 15% thực phẩm trên thế giới được sản xuất bằng các quy trình công nghệ sinh học Do vậy, ảnh hưởng của công nghệ sinh học hiện đại trong lĩnh vực này thực sự chưa rõ nét Nguyên nhân có thể là do ngành công nghiệp chế biến thực phẩm hiện nay vẫn mang nặng tính thủ công, công nghệ chưa hiện đại, ngành công nghiệp chế biến thực phẩm có quy mô to lớn nhưng lại có lợi nhuận nhỏ, do vậy khó có khả năng tái đầu tư

Tuy vậy, trong tương lai khi công nghệ chế biến thực phẩm truyền thống không đáp ứng được nhu cầu ngày càng gia tăng của con người, thì ảnh hưởng và vai trò của công nghệ sinh học hiện đại sẽ gia tăng rất mạnh

1 Sản xuất sữa

Các sản phẩm sữa quen thuộc đối với chúng ta đều được tạo ra trong

quá trình lên men của một số nhóm vi khuẩn như Lactobacillius,

Streptococcus, Leuconostos Trước kia người ta thường sử dụng những

nhóm vi khuẩn tự nhiên có mặt trong sữa để lên men, do vậy quá trình lên men nói chung khó kiểm soát và hiệu suất không cao Ngày nay, nhờ việc tạo ra được các giống, chủng vi khuẩn với các tính chất xác định, người ta

có khả năng điều khiển được quá trình lên men nói trên một cách có định hướng Các sản phẩm chủ yếu từ sữa là phomát, sữa chua, bơ, kem sữa

1.1 Sản xuất sữa chua

Trong sữa có sẵn một hệ vi sinh vật phong phú, đó là vi khuẩn lactic (gây lên men lactic), vi khuẩn acetic (lên men acetic), vi khuẩn đường ruột,

vi khuẩn gây thối (phân giải chất hữu cơ thành các mùi thối), nấm men, nấm mốc

Trong sản xuất sữa chua bằng lên men lactic, vi khuẩn dùng để lên

men chính là một số chủng thuộc Lactobacterium bulgaricum có sẵn trong

sữa Trong công nghiệp sản xuất sữa chua, người ta tiến hành thanh trùng sữa rồi cấy vi khuẩn lactic vào

Quy trình sản xuất sữa chua theo quy mô công nghiệp như sau: